谈及污水处理界的创新技术, 必然少不了好氧颗粒污泥(aerobic granular sludge,简称AGS)。它是近几年里曝光率最高的明星工艺之一。好氧颗粒污泥(AGS)是在特定环境条件下微生物之间自发形成的颗粒状生物聚合体,粒径大于0.2mm,小的颗粒介于0.2-1mm之间,大的颗粒可达3mm。它是一种生物膜的特殊存在形式。
这种技术跟传统活性污泥方法相比,其特点是沉降性能更出色,完全由生物质组成,无需支撑载体,污泥浓度高,无污泥膨胀。理论上每一颗颗粒污泥就是一个微型的生物反应器,其构造使其能在一个微小颗粒实现去除COD 和脱氮除磷,因而能实践曝气和沉淀在同一反应池完成的操作理念,能耗更低而且无需投加化学药剂,并且占地更小,降低了建造和运行成本。
图1. 颗粒污泥(左)和絮状污泥(右)显微镜图对比
在好氧颗粒污泥工艺(AGS)里,反应器一般以SBR的形式设计,颗粒污泥的内部结构是分为好氧和厌氧/缺氧层的,所以脱氮除磷和COD的去除是同时进行的。另外,颗粒污泥反应器可以在更高的生物质浓度下运行,提高了负荷率,又能维持较长的SRT来完成稳定的硝化反应,防止亚硝酸盐的积累而产生毒性。如果设计运行得当,好氧颗粒污泥系统能在低DO值下运行,从而减少能耗。
虽然当前的文献显示厌氧进料并不是必要条件,但它是形成好氧颗粒污泥的关键一步。目前最常见的好氧颗粒污泥工艺(AGS)都是自带生物强化除磷(EBPR)和硝化/反硝化能力的。研究污水处理的专家感到好奇的是:是因为污泥结构造就了AGS的EBPR能力呢?还是除磷菌促进了颗粒污泥的形成?EBPR和AGS之间究竟存在什么关联呢?这个问题价值连城。因为如果目前的污水厂仍以传统活性污泥法为主,如果这些污水厂能改造培养出好氧颗粒污泥,将意味着无需新增占地的情况下,大大提高污水厂的处理能力。
美国华盛顿大学和香港理工大学的联合团队调查了13座含有EBPR工艺和4座没有EBPR工艺的活性污泥法污水厂,对其污泥样品进行分析,内容包括颗粒/絮状污泥的比例、相对大小以及微生物群落组成。目的是要考察:
是否能在连续进水且低SVI值的生物强化除磷EBPR污水厂里找到颗粒污泥?
颗粒污泥是否和PAOs/GAOs菌的丰度有关联性?
采样方法
研究团队从13座EBPR污水厂收集曝气池出口的混合液体样品,然后连夜冷冻运至华盛顿大学。他们还对其中三座污水厂进行第二次样品的采集。所有污水厂都会提供工艺流程图、运行条件和进出水的数据信息。13座污水厂的水样参数如下表所示。
表1. 13座EPBR污水厂的参数概况。JHB指约翰内斯堡工艺,指回流污泥先进入缺氧区再进入第一个厌氧区;Cashmere, Crooked Creek, Henderson East & West没有初级处理;Idaho Falls会接收麦芽厂的污水;Cashmere会接收水果加工厂的污水;Ballenger McKinney位于马里兰州,工艺是MBR,接收甘油作为额外碳源
其他数据他们通过实验获得数据,例如TSS、VSS以及SVI5和SVI30。颗粒污泥百分比通过对混合液过筛来测定,筛网孔径为212μm。其次他们会用显微镜辨认颗粒污泥和惰性杂质,用Neisser法染色辨认PAOs菌。微生物群落分析方面,他们分别从颗粒污泥和絮状污泥提取DNA,然后做量化PCR分析,从中获取各种生物信息。
结果讨论
结果显示,13座EBPR污水厂里都发现了颗粒污泥。颗粒污泥比例在0.5%-80%之间,SVI30在39-209mL/g之间。另外4座非EBPR污水厂里,除了Pasco污水厂之外,其他3座没有污泥颗粒。而Pasco污水厂的样品显示,SVI值和颗粒污泥比呈负相关,但没有检出PAOs菌。13座EBPR污水厂也有这情况。如下图2所示SVI值更低的污水厂有更高的颗粒丰度。
传统的连续式活性污泥工艺(CFAS)不是为了颗粒化设计的,所以大部分颗粒粒径小于0.5mm。因为颗粒小,不明显,此前人们往往忽略了它们。过去人们以为在CFAS污水厂看到的颗粒多为进水的惰性颗粒物杂质,之前的显微镜观察主要针对丝状菌,100倍的放大倍数是看不到颗粒污泥的,6-20倍的放大倍数更为合适。
图2. a.颗粒污泥比例和SVI值的相关分析; b.颗粒污泥比和SVI5/SVI30比值的相关分析
此外,他们发现颗粒丰度和缺氧/厌氧选择器的设计有关。CFAS污水厂里的缺氧和厌氧区一般用于抑制好氧丝状菌的生长。在AGS工艺里,厌氧区一般会有较高的F/M比,使得易降解的COD通过扩散传质作用进入颗粒内部,同时也加速颗粒化进程,提高颗粒的稳定性。虽然研究者没有在13座EBPR污水厂看到F/M比和颗粒丰度的相关性,但F/M值最高的Henderson污水厂的颗粒丰度是最高的。因此,他们猜测含有以下特征的缺氧/厌氧池有助于颗粒污泥的形成:1. 高厌氧F/M比;2. 不搅拌发酵;3. 可溶COD比例高。
图3. 混合液样品的立体显微镜图像,6倍放大倍数,比例尺为500μm,a至h的颗粒比分别为80.2%、515.%、29.3%、17.4%、15%、5.6%、3.3%、0%。
生物群落分析显示,Accumulibacter PAO菌和Competibacter GAO菌在颗粒污泥中的丰度高于絮状物。他们的分析结果也印证了PAOs和GAOs菌这两种生长缓慢的异养菌对生成颗粒的重要性。他们认为下一步的研究工作是了解PAO/GAO在胞外聚合物(EPS)的释出的作用。这将有助认识如何在CFAS系统中生成好氧颗粒污泥。
研究价值
在西雅图著名的探索公园旁边,有一个叫West Point的污水厂。为了保护周围的海洋生态环境,该污水厂在未来几年将面临更加严格的氮排放标准。
图4. West Point污水厂目前使用的还是传统的活性污泥法工艺
如果还要沿用传统的处理工艺,需要新增土地和运行费用。但大家可以看到,West Point污水厂周边没有空间扩建了。因此,他们把目光投到了好氧颗粒污泥工艺身上。这篇文章的通讯作者、华盛顿大学的Mari Winkler教授就参与了West Point污水厂改造调研项目。这篇文章的结果也为West Point污水厂升级改造给予了信心。
另一位作者,也是来自华盛顿大学的David Stensel教授表示:“这是一种全新的工艺方案,之前没有人将它用到升级改造项目中。” 他们认为在传统絮体处理系统中加入颗粒污泥是一种理想的结合。因为相比颗粒污泥,絮体能更好地捕获一些小型颗粒物,而颗粒污泥能用更小的占地面积完成脱氮除磷。去年9月他们已经在West Point开始中试实验,合作方包括了美国公司Ovivo以及洛杉矶县卫生局。
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